Effiziente Inline-Dichtheitsprüfung an Lithium-Ionen-Zellen

Mit dem neuen ELT3000 PLUS wird die Dichtheitsprüfung an Li-Ion-Batteriezellen in der Serienfertigung beschleunigt (Bild: Inficon)

08.05.2023 Effiziente Inline-Dichtheitsprüfung an Lithium-Ionen-Zellen

Wie schon den Vorgänger ELT3000 hat Inficon auch den neuen ELT3000 PLUS speziell für die Dichtheitsprüfung von fertig befüllten Lithium-Ionen- und Natrium-Ionen-Zellen entwickelt – denn das Gerät weist Elektrolyt-Lösungsmittel, das in eine Vakuumkammer austritt, direkt nach. 

Diese Methode identifiziert Lecks an allen Zellenarten: ob an Zellen mit starren Gehäusen (prismatische, Rund- und Knopfzellen) oder an weichen Pouchzellen. Das Gerät hat neben dem manuellen Betriebsmodus jetzt auch eine automatischen Inline-Dichtheitsprüfmodus. Dieser ist für kurze Taktzeiten und einen hohen Durchsatz in der Serienfertigung optimiert. Zudem gestattet das neue Gerät den parallelen Gebrauch mehrerer Vakuumprüfkammern, den Einsatz starker externer Vakuumpumpen und die Verwendung eines zeitsparenden Batch-Testing-Ansatzes.

Lithium-Ionen- und Natrium-Ionen-Zellen auf Lecks von wenigen Mikrometern Durchmesser testen – mit einer Helium-Leckrate von 5∙10-7 mbar∙l/s ist die neue Version noch empfindlicher als ihr Vorgänger. Zunächst werden die Batteriezellen in einer Vakuumkammer platziert, die anschließend bis zu einem Druck von 5 mbar absolut evakuiert wird. Das Massenspektrometer des ELT3000 PLUS weist dann Elektrolyt-Lösungsmittel nach, falls es in das Vakuum der Prüfkammer austritt: DMC, DEC, EMC, PP und EA ebenso wie viele weitere. Durch diese Qualitätssicherung sind Batteriehersteller in der Lage, für die angestrebte Lebensdauer ihrer Batteriezellen von bis zu zehn Jahren zu sorgen.

Durch den zusätzlichen Inline-Dichtheitsprüfmodus ist der ELT3000 PLUS bei der Prüfung von Rundzellen doppelt bis zweieinhalbmal so schnell wie sein Vorgänger, bei Knopfzellen vervierfacht sich die Prüfgeschwindigkeit. Zudem hat man den neuen Inline-Prüfmodus so konzipiert, dass mehrere Vakuumprüfkammern gleichzeitig anschließbar sind. Auf diese Weise geht keine Zeit mehr für das Evakuieren der Vakuumkammer verloren, denn das Gerät prüft nun immer in der Kammer, die bereits beschickt und ausreichend evakuiert ist. Die Steuerung all der Evakuierungs- und Belüftungsvorgänge übernimmt dabei der Programmable Logic Controller (PLC) der Prüfanlage, während der ELT3000 PLUS die eigentliche Messaufgabe erledigt. Diese Möglichkeit der Multi-Kammer-Verbindung gestattet einen höheren Durchsatz in der Serienfertigung. Zudem lassen sich jetzt problemlos auch externe, sehr starke und schnelle Vakuumpumpen anschließen – für eine Evakuierung der Prüfkammern mit höchstmöglicher Geschwindigkeit.

Im neuen Inline-Modus kann der ELT3000 PLUS die Dichtheitsprüfung in einer Messzeit < 10 s absolvieren. In der Serienfertigung empfiehlt sich oft ein Batch-Testing-Ansatz, um den Durchsatz noch weiter zu erhöhen. Stellt man Rundzellen, z.B. zu Batches von 16 Stück pro Prüfvorgang und Vakuumkammer zusammen, ergibt sich ein Durchsatz von 42 Zellen pro Minute. Vergrößert man das Batch auf 64 Rundzellen, steigt der Durchsatz auf 200 Zellen pro Minute. Die Batchgröße sollte allerdings an der zu erwartenden Fehlerrate ausgerichtet sein – riesige Batches zu wählen, in denen immer wenigstens eine Zelle undicht ist, wäre sinnlos. Denn wird in einem Batch ein Leck gemessen, muss dieses Batch für weitere Prüfungen anschließend immer weiter zweigeteilt werden, sodass schließlich festgestellt werden kann, welche Zelle im Batch fehlerhaft war.

Den Anforderungen an den Dauerbetrieb des Dichtheitsprüfgeräts in der Linie trägt man auch durch die Möglichkeit zur automatischen Kalibrierung Rechnung. Den Wert, auf den das Gerät kalibriert werden soll, definieren Anlagenbauer jetzt nicht mehr indirekt, anhand des Stromsignals des Massenspektrometers, sondern anhand der konkreten Leckrate, gegen die der Hersteller seine Batteriezellen prüfen möchte. Das neue Testleck, das sich fest mit der Prüfkammer verbinden lässt, gestattet zudem eine sechsmal schnellere Kalibrierung als bisher: in 30 s statt in 3 min. Auch die genauen Zeitpunkte der automatischen Rekalibrierung im Laufe eines Tages können Anlagenbauer frei definieren.

Ebenfalls neu ist eine automatisierte Grobleckfunktion mit einem frei wählbaren Schwellenwert. Falls der ELT3000 PLUS aufgrund eines Groblecks in einer Batteriezelle eine sehr hohe Untergrundkonzentration jenseits der festgelegten Warnschwelle misst, wird die betroffene Vakuumkammer sofort und automatisiert entlüftet. Auf diese Weise bleiben Wartezeiten, die sich aufgrund der Kontaminierung durch ein Grobleck ergeben, so kurz wie möglich.

Die weichen und empfindlichen Pouchzellen auf ihre Dichtheit zu prüfen, stellt für alle herkömmlichen Verfahren eine unlösbare Herausforderung dar. Die Methode, austretendes Elektrolyt direkt nachzuweisen, ist die einzige Option, um Pouchzellen auf ihre Dichtheit zu testen. Für Prüfungen an einzelnen Pouchzellen – im manuellen Modus des Geräts – bietet man eine spezielle Vakuumkammer mit einer permeablen Folienmembran an. Diese Folie schmiegt sich bei der Evakuierung eng an die befüllte Pouchzelle an, stabilisiert sie und verhindert eine Verformung und Beschädigung der Zelle im Vakuum. Sind befüllte Pouchzellen dagegen in der Serienfertigung zu testen – per Batch-Testing in einer größeren Vakuumkammer –, hat es sich bewährt, eine geeignete Halterung zu verwenden, die alle Zellen im Batch stabilisiert.

Lösungspartner

INFICON GmbH
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Zielgruppen

Einkauf, Qualitätssicherung, Unternehmensleitung, Produktion & Fertigung